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PCT测试目的与应用

作者:江志宏

说明:

PCT试验一般称为压力锅蒸煮试验或是饱和蒸汽试验,最主要是将待测品置于严苛之温度、饱和湿度(100%R.H.)[饱和水蒸气]及压力环境下测试,测试代测品耐高湿能力,针对印刷线路板(PCB&FPC),用来进行材料吸湿率试验、高压蒸煮试验..等试验目的,如果待测品是半导体的话,则用来测试半导体封装之抗湿气能力,待测品被放置严苛的温湿度以及压力环境下测试,如果半导体封装的不好,湿气会沿者胶体或胶体与导线架之介面渗入封装体之中,常见的故装原因:爆米花效应、动金属化区域腐蚀造成之断路、封装体引脚间因污染造成之短路..等相关问题。

压力蒸煮锅试验(PCT)结构:
试验箱由一个压力容器组成,压力容器包括一个能産生100%(润湿)环境的水加热器,待测品经过PCT试验所出现的不同失效可能是大量水气凝结渗透所造成的。
澡盆曲线:
澡盆曲线(Bathtub curve、失效时期),又用称为浴缸曲线、微笑曲线,主要是显示产品的于不同时期的失效率,主要包含早夭期(早期失效期)、正常期(随机失效期)、损耗期(退化失效期),以环境试验的可靠度试验箱来说得话,可以分爲筛选试验、加速寿命试验(耐久性试验)及失效率试验等。进行可靠性试验时"试验设计"、"试验执行"及"试验分析"应作爲一个整体来综合考虑。

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常见失效时期:
早期失效期(早夭期,Infant Mortality Region):不够完善的生産、存在缺陷的材料、不合适的环境、不够完善的设计。 随机失效期(正常期,Useful Life Region):外部震荡、误用、环境条件的变化波动、不良抗压性能。 退化失效期(损耗期,Wearout Region):氧化、疲劳老化、性能退化、腐蚀。

环境应力与失效关係图说明:
依据美国Hughes航空公司的统计报告显示,环境应力造成电子产品故障的比例来说,高度佔2%、盐雾佔4%、沙尘佔6%、振动佔28%、而温湿度去佔了高达60%,所以电子产品对于温湿度的影响特别显着,但由于传统高温高湿试验(如:40℃/90%R.H.、85℃/85%R.H.、60℃/95%R.H.)所需的时间较长,为了加速材料的吸湿速率以及缩短试验时间,可使用加速试验设备(HAST[高度加速寿命试验机]、PCT[压力锅])来进行相关试验,也就所谓的(退化失效期、损耗期)试验。

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θ 10℃法则:
讨论産品寿命时,一般採用[θ10℃法则]的表达方式,简单的说明可以表达爲[10℃规则],当周围环境温度上升10℃时,産品寿命就会减少一半;当周围环境温度上升20℃时,産品寿命就会减少到四分之一。 这种规则可以说明温度是如何影响産品寿命(失效)的,相反的产品的可靠度试验时,也可以利用升高环境温度来加速失效现象发生,进行各种加速寿命老化试验。

湿气所引起的故障原因:
水汽渗入、聚合物材料解聚、聚合物结合能力下降、腐蚀、空洞、线焊点脱开、引线间漏电、晶片与晶片粘片层脱开、焊盘腐蚀、金属化或引线间短路。 水汽对电子封装可靠性的影响:腐蚀失效、分层和开裂、改变塑封材料的性质。

PCT对PCB的故障模式:
起泡(Blister)、断裂(Crack)、止焊漆剥离(SR de-lamination)。

半导体的PCT测试:
PCT最主要是测试半导体封装之抗湿气能力,待测品被放置严苛的温湿度以及压力环境下测试,如果半导体封装的不好,湿气会沿者胶体或胶体与导线架之介面渗入封装体之中,常见的故装原因:爆米花效应、动金属化区域腐蚀造成之断路、封装体引脚间因污染造成之短路..等相关问题。

PCT对IC半导体的可靠度评估项目:
DA Epoxy、导线架材料、封胶树脂 腐蚀失效与IC:腐蚀失效(水汽、偏压、杂质离子)会造成IC的铝线发生电化学腐蚀,而导致铝线开路以及迁移生长。

塑封半导体因湿气腐蚀而引起的失效现象:
由于铝和铝合金价格便宜,加工工艺简单,因此通常被使用爲积体电路的金属线。从进行积体电路塑封製程开始,水气便会通过环氧树脂渗入引起铝金属导线産生腐蚀进而産生开路现象,成爲品质管理最爲头痛的问题。虽然通过各种改善包括採用不同环氧树脂材料、改进塑封技术和提高非活性塑封膜爲提高産品质量进行了各种努力,但是随着日新月异的半导体电子器件小型化发展,塑封铝金属导线腐蚀问题至今仍然是电子行业非常重要的技术课题。

铝线中産生腐蚀过程:
① 水气渗透入塑封壳内→湿气渗透到树脂和导线间隙之中
② 水气渗透到晶片表面引起铝化学反应

加速铝腐蚀的因素:
①树脂材料与晶片框架介面之间连接不够好(由于各种材料之间存在膨胀率的差异)
②封装时,封装材料掺有杂质或者杂质离子的污染(由于杂质离子的出现)
③非活性塑封膜中所使用的高浓度磷
④非活性塑封膜中存在的缺陷

爆米花效应(Popcorn Effect):
说明:原指以塑胶外体所封装的IC,因其晶片安装所用的银膏会吸水,一旦末加防范而迳行封牢塑体后,在下游组装焊接遭遇高温时,其水分将因汽化压力而造成封体的爆裂,同时还会发出有如爆米花般的声响,故而得名,当吸收水汽含量高于0.17%时,[爆米花]现象就会发生。近来十分盛行P-BGA的封装元件,不但其中银胶会吸水,且连载板之基材也会吸水,管理不良时也常出现爆米花现象。

水汽进入IC封装的途径:
1.IC晶片和引线框架及SMT时用的银浆所吸收的水 2.塑封料中吸收的水分 3.塑封工作间湿度较高时对器件可能造成影响; 4.包封后的器件,水汽透过塑封料以及通过塑封料和引线框架之间隙渗透进去,因为塑胶与引线框架之间只有机械性的结合,所以在引线框架与塑胶之间难免出现小的空隙。 备注:只要封胶之间空隙大于3.4*10^-10m以上,水分子就可穿越封胶的防护 备注:气密封装对于水汽不敏感,一般不採用加速温湿度试验来评价其可靠性,而是测定其气密性、内部水汽含量等。

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针对JESD22-A102的PCT试验说明:

用来评价非气密封装器件在水汽凝结或饱和水汽环境下抵御水汽的完整性。 样品在高压下处于凝结的、高湿度环境中,以使水汽进入封装体内,暴露出封装中的弱点,如分层和金属化层的腐蚀。该试验用来评价新的封装结构或封装体中材料、设计的更新。 应该注意,在该试验中会出现一些与实际应用情况不符的内部或外部失效机制。由于吸收的水汽会降低大多数聚合物材料的玻璃化转变温度,当温度高于玻璃化转变温度时,可能会出现非真实的失效模式。

外引脚锡短路:封装体外引脚因湿气引起之电离效应,会造成离子迁移不正常生长,而导致引脚之间发生短路现象。

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湿气造成封装体内部腐蚀:

湿气经过封装过程所造成的裂伤,将外部的离子污染带到晶片表面,在经过经过表面的缺陷如:护层针孔、裂伤、被覆不良处..等,进入半导体原件裡面,造成腐蚀以及漏电流..等问题,如果有施加偏压的话故障更容易发生。

PCT试验条件:

(整理PCB、PCT、IC半导体以及相关材料有关于PCT[蒸汽锅测试]的相关测试条件) PCT测试目的与应用

试验名称 温度 湿度 时间 检查项目&补充说明
JEDEC-22-A102 121℃ 100%R.H. 168h 其他试验时间:24h、48h、96h、168h、240h、336h
IPC-FC-241B-PCB铜张积层板的拉剥强度试验 121℃ 100%R.H. 100 h 铜层强度要在 1000 N/m
IC-Auto Clave试验 121℃ 100%R.H. 288h  
低介电高耐热多层板 121℃ 100%R.H. 192h  
PCB塞孔剂 121℃ 100%R.H. 192h  
PCB-PCT试验 121℃ 100%R.H. 30min 检查:分层、气泡、白点
无铅銲锡加速寿命1 100℃ 100%R.H. 8h 相当于高温高湿下6个月,活化能=4.44eV
无铅銲锡加速寿命2 100℃ 100%R.H. 16h 相当于高温高湿下一年,活化能=4.44eV
IC无铅试验 121℃ 100%R.H. 1000h 500小时检查一次
液晶面板密合性试验 121℃ 100%R.H. 12h  
金属垫片 121℃ 100%R.H. 24h  
半导体封装试验 121℃ 100%R.H. 500、1000 h  
PCB吸湿率试验 121℃ 100%R.H. 5、8h  
FPC吸湿率试验 121℃ 100%R.H. 192h  
PCB塞孔剂 121℃ 100%R.H. 192h  
低介电率高耐热性的多层板材料 121℃ 100%R.H. 5h 吸水率小于0.4~0.6%
高TG玻璃环氧多层印刷电路板材料 121℃ 100%R.H. 5h 吸水率小于0.55~0.65%
高TG玻璃环氧多层印刷电路板-吸湿后再流焊耐热性试验 121℃ 100%R.H. 3h PCT试验完毕之后进行再流焊耐热性试验(260℃/30秒)
微蚀型水平棕化(Co-Bra Bond) 121℃ 100%R.H. 168h  
车用PCB 121℃ 100%R.H. 50、100h  
主机板用PCB 121℃ 100%R.H. 30min  
GBA载板 121℃ 100%R.H. 24h  
半导体器件加速湿阻试验 121℃ 100%R.H. 8h  

JEDEC JESD22-A102-B饱和湿度试验:

说明:
庆声PCT试验机执行JEDEC JESD22-A102-B饱和湿度(121℃/100%R.H.)的实际试验纪录曲线,庆声的PCT试验机是目前业界唯一机台标准内建数位电子纪录器的设备,可完整纪录整个试验过程的温度、湿度、压力,尤其是压力的部分是真正读取压力感测器的读值来显示,而不是透过温湿度的饱和蒸汽压表计算出来的,能够真正掌握实际的试验过程。

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PCB的PCT试验案例:

说明:
PCB板材经PCT试验(121℃/100%R.H./168h)之后,因PCB的绝缘绿漆品质不良而发生湿气渗透到铜箔线路表面,而让铜箔线路产生发黑现象。

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